一种金属基氮化铝复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及陶瓷领域，公开了一种金属基氮化铝复合材料，该复合材料包括氮化铝陶瓷骨架以及填充于至少部分氮化铝陶瓷骨架孔隙内的金属，所述氮化铝陶瓷骨架含有氮化铝和CuAlO2，所述氮化铝陶瓷骨架的孔隙率为20‑40％。还涉及制备金属基氮化铝复合材料的方法，以及该方法制得的金属基氮化铝复合材料。本发明专利技术制得的氮化铝陶瓷骨架中形成了CuAlO2物质。由于CuAlO2与金属铜、铝的润湿性较好，从而减少了后续氮化铝陶瓷骨架与金属复合时界面层的构建，有利于其后续与金属进行复合来制备金属基氮化铝复合材料。另外，CuAlO2可能在氮化铝颗粒表面形成了膜层，从而能够进一步提高氮化铝陶瓷骨架与金属的结合力。

Metal base aluminum nitride composite material and preparation method thereof

The invention relates to the ceramic field, and discloses a metal based aluminum nitride composite material, which includes aluminum nitride ceramic skeleton and metal filled with at least part of the pore of the aluminum nitride ceramic skeleton. The aluminum nitride ceramic skeleton contains aluminum nitride and CuAlO2, and the porosity of the aluminum nitride ceramic skeleton is 20 of 40%. The invention also relates to a method for preparing metal matrix aluminum nitride composite material and a metal matrix aluminum nitride composite material prepared by the method. The CuAlO2 ceramic material is formed in the aluminum nitride ceramic skeleton made by the invention. Because of the good wettability of CuAlO2 with metal copper and aluminum, the construction of interface layer of subsequent aluminum nitride ceramic skeleton and metal composite is reduced, and it is beneficial to the subsequent preparation of metal based aluminum nitride composite. In addition, CuAlO2 may form a film on the surface of AlN particles, so as to further improve the binding strength of aluminum nitride ceramic skeleton to metal.

【技术实现步骤摘要】
一种金属基氮化铝复合材料及其制备方法
本专利技术涉及陶瓷领域，具体地，涉及一种金属基氮化铝复合材料及其制备方法。
技术介绍
现有技术大部分是在氮化铝粉体中添加易挥发分解的造孔剂(如树脂、淀粉等)，通过造孔剂在烧结过程中挥发使其所占的位置形成孔隙，从而制备多孔的氮化铝陶瓷骨架。例如专利申请CN1654432A公开了一种低成本高性能氮化硅/碳化硅多孔陶瓷的制备方法。该方法包括配料、成型、烧结常规陶瓷材料制备工艺：以酚醛树脂作为造孔剂和碳源，利用烧结过程中的碳热还原反应，原位生成纳米SiC相。但是，该技术存在以下缺点：①所添加造孔剂挥发不完全可能残余在氮化铝表面，影响其性能以及对后续的表面改性造成不便；②造孔剂分解挥发多在原位形成闭孔，孔之间较难相互连通，不利于后面与金属的复合。另外，专利申请CN102815957A公开了一种有色金属合金增韧氮化铝陶瓷基复合材料及制备方法。其氮化铝坯件由氮化铝、氧化钇、氧化铝、炭黑组成，氮气气氛下获得孔隙率小于43％的氮化铝坯件，加热压铸机，将铜合金加热至熔融状态倒入放置氮化铝坯件的空腔内，压头将熔融铜合金压入氮化铝坯件中，最后待铸块冷却后与模具分离，对产品进行热处理后得到铜增韧氮化铝陶瓷基复合材料。对于上述熔融铜浸渗氮化铝坯件，该技术没有进行相关的界面层构建。浸渗时其结合界面为氮化铝与熔融铜直接接触，即使在制备坯件的过程中加入了过量的氧化铝，氧化铝表面也会覆盖有氮化铝，并不能形成氧化铝与熔融铜接触的结合界面，因为氮化铝和铜的润湿性不理想，采用这种方法制备的金属氮化铝复合材料存在骨架与金属复合性差的问题，严重影响复合材料的性能。因此，现在急需一种能够提高新型的氮化铝陶瓷骨架与金属复合性较优的复合材料及其制备方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术中氮化铝陶瓷骨架与金属复合性较差的缺陷，提供一种金属基氮化铝复合材料及其制备方法。因此，为了实现上述目的，本专利技术了提供一种金属基氮化铝复合材料，该复合材料包括氮化铝陶瓷骨架以及填充于至少部分氮化铝陶瓷骨架孔隙内的金属，所述氮化铝陶瓷骨架含有氮化铝和CuAlO2，所述氮化铝陶瓷骨架的孔隙率为20-40％。本专利技术的专利技术人在研究中发现，通过烧结过程中氮化铝与氧化铜或氧化亚铜的反应产生气体，从而使得氮化铝基体中原位形成多孔，并且，氮化铝颗粒之间也存在一些孔隙，采用机械压力下的压制成型使得氮化铝颗粒间更易形成通孔。通过烧结过程中氮化铝与氧化铜或氧化亚铜的反应，可以生成CuAlO2，制得氮化铝陶瓷骨架与金属的结合力较优异的复合材料。究其原因可能是由于CuAlO2与金属铜、铝等金属的润湿性较好。另外，CuAlO2可能在氮化铝颗粒表面形成了膜层，该膜层在后续氮化铝陶瓷骨架与熔融金属的复合过程中可能起到界面层的作用，从而能够进一步提高氮化铝陶瓷骨架与金属的结合力。本专利技术的氮化铝陶瓷骨架不必或者只需再轻微构建界面层即可保证氮化铝陶瓷骨架与金属的结合力，进而制得复合性较优异的金属基氮化铝复合材料。具体地，氮化铝与氧化铜或氧化亚铜反应的化学式如下：4AlN+2Cu2O+3O2＝4CuAlO2+2N2↑2AlN+2CuO+O2＝2CuAlO2+N2↑优选地，以该氮化铝陶瓷骨架的总量为基准，CuAlO2的含量为5-20重量％。第二方面，本专利技术提供了一种制备金属基氮化铝复合材料的方法，该方法包括：(1)将含有氮化铝颗粒、铜氧化物粉末和粘结剂的原料依次混合、干燥、粉碎、压制成型并烧结，所述铜氧化物粉末为氧化铜粉和/或氧化亚铜粉，制得氮化铝陶瓷骨架；(2)采用气压浸渗法将熔融的金属填充到氮化铝陶瓷骨架的至少部分孔隙中。第三方面，本专利技术提供了上述方法制得的金属基氮化铝复合材料。本专利技术的氮化铝陶瓷骨架采用原位造孔方法，形成了多孔的陶瓷结构。并且，本专利技术制得的氮化铝陶瓷骨架中形成了CuAlO2物质，由于CuAlO2与金属铜、铝等金属的润湿性较好，从而减少了后续氮化铝陶瓷骨架与金属复合时界面层的构建，有利于其后续与金属进行复合来制备金属基氮化铝复合材料。另外，CuAlO2可能以膜层的形式形成在氮化铝颗粒表面上，该膜层在后续氮化铝陶瓷骨架与熔融金属的复合过程中可能起到界面层的作用，从而能够进一步提高氮化铝陶瓷骨架与金属的结合力。本专利技术的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。具体实施方式以下对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。本专利技术提供了一种金属基氮化铝复合材料，该复合材料包括氮化铝陶瓷骨架以及填充于至少部分氮化铝陶瓷骨架孔隙内的金属，所述氮化铝陶瓷骨架含有氮化铝和CuAlO2，所述氮化铝陶瓷骨架的孔隙率为20-40％。本专利技术的专利技术人在研究中发现，通过烧结过程中氮化铝与氧化铜或氧化亚铜的反应，可以生成CuAlO2，制得氮化铝陶瓷骨架与金属的结合力较优异的复合材料。究其原因可能是由于CuAlO2与金属铜、铝等金属的润湿性较好。另外，CuAlO2可能在氮化铝颗粒表面形成了膜层，该膜层在后续氮化铝陶瓷骨架与熔融金属的复合过程中可能起到界面层的作用，从而能够进一步提高氮化铝陶瓷骨架与金属的结合力。优选地，以该氮化铝陶瓷的总量为基准，CuAlO2的含量为5-20重量％，优选为10-20重量％，从而能够提高氮化铝陶瓷骨架与金属的结合力。根据本专利技术的所述复合材料，氮化铝陶瓷骨架还可以含有铜氧化物，优选地，所述铜氧化物为氧化铜和/或氧化亚铜。由于氧化铜和/或氧化亚铜可能不会反应完全，因此，本专利技术的氮化铝陶瓷骨架可能不可避免地含有氧化铜和/或氧化亚铜。在本专利技术的一种具体实施方式中，以该氮化铝陶瓷的总量为基准，所述铜氧化物的含量可以为0-3重量％，优选为0.1-1重量％。根据本专利技术的所述复合材料，优选地，该氮化铝陶瓷骨架还含有MnO2、MnO和Al2O3。由于氮化铝陶瓷含有MnO2、MnO和Al2O3，从而能够提高氮化铝陶瓷与金属的结合力。优选地，以该氮化铝陶瓷的总量为基准，MnO2的含量为0-3重量％(优选为1-2重量％)，MnO的含量为0-3重量％(优选为1-2重量％)，Al2O3的含量为0-5重量％(优选为2-4重量％)。根据本专利技术的所述复合材料，进一步优选地，该氮化铝陶瓷骨架还含有Y2O3和YAlO3，从而能够降低陶瓷烧结成型的温度。优选地，以该氮化铝陶瓷骨架的总量为基准，Y2O3的含量为1-5重量％(优选为1-3重量％)，YAlO3的含量为1-10重量％(优选为3-5重量％)。在本专利技术的一种优选实施方式中，氮化铝陶瓷骨架含有氮化铝、CuAlO2、氧化铜和/或氧化亚铜、MnO2、MnO、Al2O3、Y2O3、YAlO3和碳，从而能够提高氮化铝陶瓷骨架的抗弯强度以及其与金属的结合性。更优选地，以氮化铝陶瓷骨架的总重量为基准，所述氮化铝的含量为70-90重量％，CuAlO2的含量为5-20重量％，氧化铜的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属基氮化铝复合材料，其特征在于，该复合材料包括氮化铝陶瓷骨架以及填充于至少部分氮化铝陶瓷骨架孔隙内的金属，所述氮化铝陶瓷骨架含有氮化铝和CuAlO2，所述氮化铝陶瓷骨架的孔隙率为20‑40％。

【技术特征摘要】
1.一种金属基氮化铝复合材料，其特征在于，该复合材料包括氮化铝陶瓷骨架以及填充于至少部分氮化铝陶瓷骨架孔隙内的金属，所述氮化铝陶瓷骨架含有氮化铝和CuAlO2，所述氮化铝陶瓷骨架的孔隙率为20-40％。2.根据权利要求1所述的复合材料，其中，以该氮化铝陶瓷骨架的总量为基准，CuAlO2的含量为5-20重量％。3.根据权利要求1所述的复合材料，其中，所述金属为铝、铝合金、铜和铜合金中的一种或两种以上；优选地，以所述复合材料的总体积为基准，所述氮化铝陶瓷骨架的含量为60-80体积％，优选为65-75体积％。4.根据权利要求2或3所述的复合材料，其中，所述氮化铝陶瓷骨架还包括附着在至少部分氮化铝陶瓷骨架孔隙的表面上的锆氧化物和/或锰氧化物；优选地，所述氮化铝陶瓷骨架与锆氧化物和/或锰氧化物的重量比为1：0-0.05，优选为1：0-0.03，更优选为1：0.01-0.02。5.根据权利要求1-4中任意一项所述的复合材料，其中，该氮化铝陶瓷骨架还含有铜氧化物，所述铜氧化物为氧化铜和/或氧化亚铜；优选地，以该氮化铝陶瓷骨架的总量为基准，所述铜氧化物的含量为0-3重量％，优选为0.1-1重量％。6.根据权利要求1-4中任意一项所述的复合材料，其中，该氮化铝陶瓷骨架还含有MnO2、MnO和Al2O3，优选地，以该氮化铝陶瓷骨架的总量为基准，MnO2的含量为0-3重量％，优选为1-2重量％，MnO的含量为0-3重量％，优选为1-2重量％，Al2O3的含量为0-5重量％，优选为2-4重量％；优选地，该氮化铝陶瓷骨架还含有Y2O3和YAlO3，优选地，以该氮化铝陶瓷骨架的总量为基准，Y2O3的含量为1-5重量％，YAlO3的含量为1-10重量％。7.根据权利要求1-4中任意一项所述的复合材料，其中，该氮化铝陶瓷骨架含有氮化铝、CuAlO2、氧化铜和/或氧化亚铜、MnO2、MnO、Al2O3、Y2O3、YAlO3和碳；优选地，以氮化铝陶瓷的总重量为基准，所述氮化铝的含量为70-90重量％，CuAlO2的含量为5-20重量％，氧化铜的含量为0-1重量％，氧化亚铜的含量为0-1重量％，MnO2的含量为0-2重量％，MnO的含量为0-2重量％，Al2O3的含量为1-5重量％，Y2O3的含量为1-3重量％，YAlO3的含量为3-5重量％，余量为碳；进一步优选地，以氮化铝陶瓷的总重量为基准，所述氮化铝的含量为80-90重量％，CuAlO2的含量为5-15重量％，氧化铜的含量为0.05-0.5重量％，氧化亚铜的含量为0.05-0.5重量％，MnO2的含量为1-1.5重量％，MnO的含量为1-1.5重量％，Al2O3的含量为2-4重量％，Y2O3的含量为1-2重量％，YAlO3的含量为3-4重量％，余量为碳。8.一种制备金属基氮化铝复合材料的方法，其特征在于，该方法包括：(1)将含有氮化铝颗粒、铜氧化物粉末和粘结剂的原料依次混合、干燥、粉碎、压制成型并烧结，所述铜氧化物粉末为氧化铜粉和/或氧化亚铜粉，制得氮化铝陶瓷骨架；(2)采用气压浸渗法将熔融的金属填充到氮化铝陶瓷骨架的至少部分孔隙中。9.根据权利要求8所述的方法，其中，步骤(1)中，所述原料还含有锰源，所述锰源为锰盐，优选地，所述锰盐为...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘成臣，宋山青，邵长健，徐强，林信平，
申请(专利权)人：比亚迪股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44